变压器及电能的输送 教案.doc

中小学1对1课外辅导专家
新领航教育学科教学案
教师: 赵云飞 学生: 日期:
星期: 时段:
课 题
变压器及电能的输送
学习目标与
考点分析
　 1．知道原线圈（初级线圈）、副线圈（次级线圈）的概念。
　　2．知道理想变压器的概念，记住电压与匝数的关系。
　　3．知道升压变压器、降压变压器概念。
　　4．会用及I1U1=I2U2（理想变压器无能量损失）解题。
　　5．知道电能输送的基本要求及电网供电的优点。
　　6．分析论证：为什么在电能的输送过程中要采用高压输电。
　　7．会计算电能输送的有关问题。
　　8．了解科学技术与社会的关系。

学习重难点
教学重点：1．理想变压器改变电流和电压的计算，即应用及I1U1=I2U2进行计算和分析。
　 2．理解高压输电的意义并能分析、解决有关高压输电的一些简单问题。

教学难点：1．对变压器的动态工作原理的理解。
　　2．远距离输电过程负载发生变化时引起各个物理量变化的动态分析，尤其是能量传递和转化的动态分析。
教学方法

讲授法、讨论法、列举实例法
知识点一：变压器的构造和工作原理

1．变压器的构造：（以单相变压器为例）
　　①闭合铁芯
　　用导磁性能良好的硅钢片叠合而成，用来提供原线圈共同的封闭的磁路。原线圈中电流产生的磁场认为全部通过闭合铁芯。彼此绝缘的硅钢片是用来减少涡流造成电能的损失。
　　②原线圈（又叫初级线圈）和副线圈（又叫次级线圈）
　　原副线圈大都由绝缘铜导线绕制而成，套在闭合铁芯上。有大电流的线圈铜导线的截面积要大一些。
　　③其它部分
　　大功率变压器要放在盛有绝缘油的钢筒内，并带有散热管，以便有效地将原副线圈以及铁芯中产生的焦耳热释放出去，防止温度过高烧坏变压器，同时提高线圈间的绝缘性能。

2．变压器的构造和工作原理　　简而言之：变压器是根据电磁感应现象中的互感原理制成并改变交流电压和电流的。
　　具体说来：当原线圈中通有交变电流时就会在闭合铁芯中产生变化的磁通量，这个变化的磁通量完全穿过绕在同一铁芯上的副线圈，便在副线圈中产生出感应电动势，如果副线圈上接有负载构成闭合回路，那么副线圈中便产生了感应电流。感应电流产生的磁通量反过来影响原线圈在闭合铁芯中的磁通量，如此相互作用实现电能从原线圈转移到副线圈，同时获得所需要的电压和电流。

　　说明：变压器只能改变变化的电流或电压，不能改变恒定电流或电压！

知识点二：理想变压器变压、变流的规律

1．实际变压器
　　从副线圈输出电能的功率P出=I2U2小于从原线圈输入电能的功率P入=I1U1，即P出＜P入，变压器在传输电能的过程中有电能损失。
　　能量损耗的原因：
　　①原副线圈中有电阻，当有电流通过时发热，电能转化为热。
　　②铁芯中不可避免的存在涡流，使输入的电能转化为热。
　　③原副线圈及铁芯都存在漏磁现象，有一部分磁场不通过铁芯引起感应电流。

2．理想变压器
　　从副线圈输出电能的功率P出=I2U2等于输入电能的功率P入=I1U1；即P出=P入或写成U1I1=U2I2。对于副线圈不只一个的情形，I1U1=I2U2+I3U3+……
　　说明：
　　①理想变压器是一个理想化模型，是实际变压器的一种简化，因为大型变压器电能传输效率都很高，忽略了很小部分的能量损失，使问题的分析讨论更加简单。
　　②理想变压器忽略了在原副线圈、铁芯中的电能损失，忽略了线圈和铁芯的漏磁现象。理想变压器的重要特点是：
a．通过原线圈的磁通量和通过副线圈的磁通量相等，即 。
b．。

3．理想变压器变压、变流规律推导与讨论
　　（1）电动势关系
　　由于互感现象，没有漏磁，原、副线圈中具有相同的磁通量的变化率。如图根据法拉第电磁感应定律，原线圈中，副线圈中，所以有。

　　（2）电压关系
　　①由于不计原、副线圈的电阻，因此原线圈两端的电压U1=E1，副线圈两端的电压U2=E2，所以。无论副线圈一端是空载还是有负载，都是适用的。
　　②输出电压U2仅由输入电压U1和原、副线圈的匝数比共同决定，即，与负载个数、电阻大小无关。
　　③若变压器有两个副线圈，则有。
　　所以有，或。
　　④据知，当n2＞n1时，U2＞U1，这种变压器称为升压变压器；
当n2＜n1时，U2＜U1，这种变压器称为降压变压器。

　　（3）功率关系
　　由于理想变压器，不考虑能量损失。

　　（4）电流关系
　　当只有一个副线圈时，由功率关系I1U1=I2U2得：

　　同理当有多个副线圈时由I1U1=I2U2+I3U3+……得：
　　I1n1=I2n2+I3n3+……

知识点三：变压器分类与用途

1．按照变压器使用目的来分，
　　可分为
　　（1）变压：升压变压器和降压变压器
　　（2）变流：使输出电流变大或变小
　　（3）变阻抗：使输出阻抗变大或变小（此作用在高中阶段讨论较小）

2．按用途
　　可以分为：
　　（1）可调变压器：自耦变压器便是其中的一种。
　　（2）固定变压器：只能输出固定电压。
　　（3）互感器：测量高电压、大电流的变压器
　　分类：电压互感器（如图甲）和电流互感器（如图乙）
。
　　①电压互感器：如图甲所示，原线圈并联在高压电路中，副线圈接电压表。互感器将高电压变为低电压，通过电压表测低电压，结合匝线比可计算出高压电压的电压值。
　　②电流互感器：如图乙所示，原线圈串联在待测高电流电路中，副线圈接电流表。互感器将大电流变成小电流，通过电流表测出小电流，结合匝数比可计算出大电流电路的电流值。

知识点四：理想变压器各物理量变化的决定因素

　　当理想变压器的原、副线圈的匝数不变时，如果变压器的负载发生变化，确定其他物理量变化时，可依据下列原则判定：
1．输入电压U1决定输出电压U2
　　这是因为输出电压，当U1不变时，不论负载电阻R变化与否，U2不会改变。

2．输出电流I2决定输入电流I1
　　在输入电压U1一定的情况下，输出电压U2也被完全确定。当负载电阻R增大时，I2减小，则I1相应减小；当负载电阻R减小时，I2增大，则I1相应增大，在使用变压器时，不能使变压器次级短路。

3．输出功率P2决定输入功率P1
　　理想变压器的输出功率与输入功率相等，即P2=P1，在输入电压U1一定的情况下，当负载电阻R增大时，I2减小，则变压器输出功率P2=I2U2减小，输入功率P1也将相应减小；当负载电阻R减小时，I2增大，变压器的输出功率P2=I2U2增大，则输入功率P1也将增大。

知识点五：输电导线上的功率（电能）损失和减小损失的方法

1．输送电能的基本要求
　　（1）可靠：电路可靠工作少有故障。
　　（2）保质：保证电能的质量——电压和频率稳定。
　　（3）经济：线路建造和运行费用低，电能损耗少。

2．输电导线上的功率损失
　　（1）输电导线上的功率损失
　　由于输电导线有电阻，在输电过程中必有一部分电能要转化成热能而损失掉，设输电导线中电流为I，输电导线的电阻为R，则输电导线上的功率损失为ΔP=I2R。

　　（2）减小输电导线上的功率损失的两种方法
　　①减少输电导线上的电阻R。
　　由电阻定律可知，距离一定，选用电阻率小的金属做导线，增大导线横截面积S可减小电阻。
　　②减小输电导线的电流
　　由P=UI可知，当传输功率P一定时，升高电压可以减小输电导线上的电流。

3．远距离输电——高压输电
　　（1）近距离输电可以采用增大导线截面积，减小电阻的方法来减少电能损失，这样可以减少使用变压器的投资，符合经济的原则。
　　（2）远距离输电，采用高压输电减小线路上的电流，可以减小输电导线的截面积以减少输电导线的投资，符合经济的原则。

知识点六：远距离输电的基本电路和电压损失、功率损失的计算

1．远距离输电的基本电路
　　由于发电机本身的输出电压不可能很高，所以采用高压输电时，在发电站内需用升压变压器升压到几百千伏后再向远距离送电，到达用电区再用降压变压器降到所需的电压，基本电路如图所示：

2．输电线路上的功率损耗和电压损失
　　如上图所示，设电路的输电电流为I线，输送功率，则
　　输电线路上损失的电压：
　　输电线路上损失的电功率：
　　结论：输电电压提高到原来的n倍时，①输电线路上电压损失降低到原来的。②输电线路上电功率的损失降低到原来的。

规律方法总结
1．对变压器进行计算的几个常用关系
（1）变压规律
　　①（只有一个副线圈）
　　②（多个副线圈）
　　说明：
　　①副线圈上的电压与匝数成正比，而原线圈上的电压与匝数无关。
　　②绕在闭合铁芯上的每一匝线圈上的电压相等。

（2）变流规律
　　①（只有一个副线圈）
　　②（多个副线圈） 　　

　　 理想变压器：

2．远距离高压输电的几个基本关系（以图为例）

（1）功率关系
　　P1=P2，P3=P4，P2=P线+P3

（2）电压、电流关系
　　 ，，U2=U线+U3，I2=I3=I线。

（3）输出电流
　　。

（4）输电导线上损耗的电功率

　　说明：
　　计算输电线路上的损失功率和用户得到的功率，要弄清下列两组概念的区别和联系：
　　①输电电压U、线路损失电压ΔU和用户得到电压U＇
　　②输送功率P、线路损失功率ΔP和用户得到功率P＇

典型例题透析
类型一、理想变压器电流、电压的计算
　　1．如图为理想变压器，其初级线圈在交流电源上，次级线圈接有一标有“12V 100W”的灯泡，已知变压器初、次级线圈的匝数比为18∶1，那么小灯泡正常工作时，图中的电压表的读数为________V，电流表的读数为________A。

　　解析：由图可知，两电表的读数均为初级线圈的电压值和电流值。
　　　　　由公式得，
　　　　　由公式得。
　　答案：216 0.46

变式练习
　　 【变式】如图所示，理想变压器的原、副线圈的匝数比为n1∶n2=2∶1，A、B为完全相同的灯泡，电源电压为U，则灯泡B两端电压为（ ）
　　A． 　　　　　　B．2 U　　　　　
　　C．　　　　 　　D．

　　解析：设灯泡电阻为R，则原线圈电压U1=U－I1R，
　　　　　副线圈电压U2=I2R，又，，n1∶n2=2∶1，
　　　　　 联立以上各式得，选D。
　　答案：D

类型二、对变压器变压规律的理解
　　2．如图所示为一理想变压器，原线圈的输入电压U1=3300V，副线圈的输出电压U2=220V，绕过铁芯的导线所接的电压表的示数U0=2V，则：
　　（1）原、副线圈的匝线各是多少？
　　（2）当S断开时，A2的示数I2=5A，那么A1的示数是多少？

　　解析：
　　（1）根据变压比：及有

　　（2）由其是理想变压器有，即
　 　　　。

类型三、理想变压器工作过程动态分析
　　3．如图所示，理想变压器的副线圈上通过输电线接有两个相同的灯泡L1和L2；输电线的等效电阻为R，开始时，开关S断开。当S接通时，以下说法中正确的是（ ）
　　A．副线圈两端M、N输出电压减小 　B．副线圈输电线等效电阻R上的电压增大
　　C．通过灯泡L1的电流减小 　　　　D．原线圈中的电流增大

　　答案：BCD
　　解析：当开关S闭合后，L2与L1相并联，使副线圈的负载电阻总阻值变小，此时M、N间的输出电压不变，副线圈中的总电流I2增大，电阻R上的电压降UR=I2R亦大增，灯泡L1承受的电压减小，L1中的电流减小，故B、C正确。I2的增大，导致原线圈中的电流I1相应增大，故D正确。

题型四、远距离输电的计算
　　4．远距离输送交流电都采用高压输电。我国正在研究用比300 kV高得多的电压进行输电。采用高压输电的优点是（ ）
　　A．可节省输电线的铜材料　　　　　　　 B．可根据需要调节交流电的频率
　　C．可减少输电线上的能量损失　　　　　 D．可加快输电的速度

　　解析：由P=IU得，输送的电功率P一定，采用高压输电，U大则I小，输电线中的电流就小，由，在要求输电线损耗一定的情况下，就可选电阻率略大一点的材料作导线。若输电线确定，则可减少输电线上的能量损失，故A、C选项正确。交流电的频率是固定的，不需调节，输电的速度就是电磁波的传播速度，是一定的，故B、D选项不正确。
　　答案：A、C

变式练习
　　 【变式】水电站给远处山村送电的输出功率是 110 kW，用 2000 V 电压输电，线路上损失的功率是 2.5×104W；如果改用20000V高压输电，线路上损失的功率是________W。

　　解析：用U1=2000V，U2=20000V输电时的输电电流和线路功率损失分别为
　 　　 　，；
　 　　 　，。
　　　　　两者相比得。
　　答案：250W

　　5．有一台内阻为1Ω的发电机，供给一个学校照明用电，如图所示。升压变压器匝数为1∶4，降压变压器的匝数比为4∶1，输电线的总阻R=4Ω。全校共22个班，每班有“220V，40W”的灯6盏。若保证全部电灯正常发光，则：
　　（1）发电机输出功率多大？
　　（2）发电机电动势多大？
　　（3）输电效率是多少？

　　解析：
　　（1）对降压变压器：
　　　 　U2＇I2=U3I3=nP灯=22×6×40W=5280W
　　 　　而，
　　 　　所以
　　 　　对升压变压器：
　　 　　发电机输出功率。
　　（2）因为U2=U2＇+I2R=880V+6×4V=904V
　　　 　所以，
　　　 　又因为U1I1=U2I2
　　　 　所以
　　 　　所以发电机电动势E=U1+I1r1=226V+24×1V=250V。
　　（3）输电效率。
　　思考：若例题中使用灯数减半且正常发光，发电机输出功率是否减半？（同理可求灯数减半时发电机输出功率为P＝2676W，故发电机输出功率不是减半，而是大于1半）

举一反三
　　【变式】发电机的端电压为220V，输出电功率为44kW，输电导线的电阻为0.2Ω，如果用初、次级匝数之比为1∶10的升压变压器升压，经输电线路后，再用初、次级匝数比为10∶1的降压变压器降压供给用户。
　　（1）画出全过程的线路图。
　　（2）求用户得到的电压和功率。
　　（3）若不经过变压而直接送到用户，求用户得到的功率和电压。

　　解析：
　　（1）线路图如图所示：

　　（2）升压变压器次级的输出电压，
　　 　　升压变压器初级输入电流，由P=U1I1得
　 　　　。
　 　　　升压变压器次级输电流，
　 　　　输电线路上的电压损失和功率损失分别为，。
　 　　　加到降压变压器初级上的输入电流和电压I3=I2=20A，U3=U2－UR=2196V。
　 　　　降压变压器初级的输出电压和电流
　　 　　，。
　　 　　用户得到的功率P4=U4I4=43.92 kW。
　　（3）若不采用高压输电，线路损失电压为，
　　　 　用户得到的电压，
　　　 　用户得到的功率为。

学生对于本次课的评价：

教师对学生本次上课评价（30字左右）：

本次作业：

教导主任签字： ___________
新领航教育教务处

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